基于LabVIEW和AVR單片機(jī)的鎮(zhèn)痛儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

摘要：通過(guò)對(duì)穴位施加低頻的脈沖電壓刺激穴位神經(jīng)釋放內(nèi)源性物質(zhì)，從而達(dá)到減輕疼痛的作用已經(jīng)被證實(shí)?；诖酸t(yī)學(xué)原理，本系統(tǒng)使用LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)控制界面，通過(guò)NIVISA模塊驅(qū)動(dòng)USB進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，采用高性能AVR主控芯片設(shè)計(jì)下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍數(shù)字升壓(12～100V)的高質(zhì)量互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)脈沖波穩(wěn)定輸出特性。在疼痛疾病的治療以及醫(yī)療保健治未病等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；USB通信；DC—DC升壓；AD采集

    疼痛治療一向是臨床醫(yī)學(xué)深感棘手的問(wèn)題之一，在疼痛治療領(lǐng)域，穴位刺激鎮(zhèn)痛一直備受推崇，即通過(guò)對(duì)穴位施加低頻的脈沖電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的刺激，使其釋放阿片肽，達(dá)到減輕疼痛的目的。上世紀(jì)80年代以來(lái)，電子技術(shù)在疾病診療領(lǐng)域的取得廣泛應(yīng)用，穴位刺激鎮(zhèn)痛治療儀器成為其中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，韓式儀是其中的一個(gè)典型代表。隨著電子技術(shù)便攜化和智能化的發(fā)展，利用當(dāng)前最新技術(shù)革新產(chǎn)品，研發(fā)新型鎮(zhèn)痛醫(yī)療器械勢(shì)在必行。
    針對(duì)鎮(zhèn)痛儀電路研發(fā)要求，以及人體對(duì)低電頻生理反映的特征，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和AVR單片機(jī)的一個(gè)精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)的醫(yī)療器械鎮(zhèn)痛儀。

1 系統(tǒng)總體介紹
    本系統(tǒng)包括上位機(jī)模塊、通信模塊和下位機(jī)模塊，其中上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫(xiě)的人機(jī)交互界面，使用方便，具有良好的可視化效果和可擴(kuò)展性；通信部分采用即插即用的USB通信模塊，其傳輸數(shù)據(jù)速率快，能滿(mǎn)足對(duì)下位機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋的要求；下位機(jī)模塊主要由脈沖發(fā)生電路、升壓電路和互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)脈沖輸出電路組成，其中主控芯片采用ATMEL公司的Atmega128，可接收上位機(jī)控制命令，完成各種模式下的脈沖強(qiáng)度精確調(diào)制以及控制對(duì)稱(chēng)治療脈沖輸出。升壓電路采用Maxim Integrated Products公司的MAX1771DC／DC升壓芯片和AD公司的AD52 41系列數(shù)字電位器，實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)的數(shù)字升壓，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件及其組成
2．1 上位機(jī)LabVIEW人機(jī)交互界面
    上位機(jī)軟件用于用戶(hù)信息管理和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。其中包括下位機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集的即時(shí)顯示，以及存儲(chǔ)用戶(hù)的治療資料等。軟件采用圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)，其開(kāi)發(fā)時(shí)間短、通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，界面設(shè)計(jì)的人性化，使操作方便，具有良好的可視化效果和可擴(kuò)展性，上位機(jī)流程圖如圖2所示。

    上位機(jī)可提供管理患者信息，選擇治療模式，控制治療強(qiáng)度的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)治療波形的實(shí)時(shí)顯示，使患者和醫(yī)護(hù)人員對(duì)治療情況一目了然。系統(tǒng)運(yùn)行之前需錄入患者相關(guān)信息，系統(tǒng)將在治療結(jié)束后自動(dòng)生成該患者治療情況的記錄報(bào)表，并提供打印功能，可用于醫(yī)學(xué)對(duì)比分析以及對(duì)本系統(tǒng)的治療效果評(píng)估等。醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)患者情況選擇系統(tǒng)目前提供的七種治療模式中適合患者的模式，并且控制不同模式下的刺激強(qiáng)度，以達(dá)到最佳治療效果。操作界面如圖3所示。

    此外系統(tǒng)還具有音樂(lè)輔助模塊、定時(shí)功能模塊、幫助系統(tǒng)以及擴(kuò)展功能等一些列模塊供使用者選擇，使操作效率達(dá)到最大化。
2．2 USB串行通信模塊的實(shí)現(xiàn)
    USB (Universal Serial Bus)接口是近年來(lái)應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。它基于單一的總線(xiàn)接口技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求；它的即插即用、支持熱插拔、易于擴(kuò)展等特性極大地方便了用戶(hù)的使用，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。USB的便攜性、高數(shù)據(jù)傳輸速度等非常適合本系統(tǒng)。
    USB控制器選用CH376，它可以工作于主機(jī)和設(shè)備兩種工作方式，設(shè)備工作方式完全兼容CH372。它具有方便的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。內(nèi)置固件模式下屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議，自動(dòng)完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過(guò)程，完全不需要本地端控制器作任何處理，簡(jiǎn)化了單片機(jī)的固件編程。該芯片內(nèi)部集成了PLL倍頻器、USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、命令解釋器、通用的固件程序等主要部件，內(nèi)部具有5個(gè)物理端點(diǎn)，采用端點(diǎn)2的上傳作為批量數(shù)據(jù)的發(fā)送端點(diǎn)，選擇端點(diǎn)2的下傳端點(diǎn)作為批量數(shù)據(jù)的接收端點(diǎn)，在這種情況下，上傳下傳端點(diǎn)的緩沖區(qū)各占64個(gè)字節(jié)。

    本文采用LabVIEW自帶的通用的驅(qū)動(dòng)程序NIVISA作為USB設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)程序，并且利用程序中的塊傳輸節(jié)點(diǎn)，即VISA READ和VISA WRITE可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成上位機(jī)和下位機(jī)通信需求。
2．3 下位機(jī)主控升壓輸出電路
   下位機(jī)根據(jù)接收到的上位機(jī)控制命令控制脈沖發(fā)生模塊和升壓模塊執(zhí)行相應(yīng)操作，并向上位機(jī)反饋信息。
    以Atmega128單片機(jī)作為下位機(jī)控制核心，編程輸出可變頻可變占空比的PWM刺激脈沖。Atmega128芯片具有PWM波輸出引腳，對(duì)其編程可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量PWM波輸出，編程TWI來(lái)控制AD5241芯片的輸出阻值來(lái)調(diào)制MAX1771 DC—DC升壓電路以實(shí)現(xiàn)多級(jí)可調(diào)升壓，對(duì)稱(chēng)脈沖模塊可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定脈沖波。通過(guò)Atmega128內(nèi)置AD捕獲輸出脈沖，考慮到輸出信號(hào)的幅度在12～100V之間，而AD模塊選用的基準(zhǔn)電壓為5．0V，因此將輸出電壓經(jīng)電阻分壓器接入模擬輸入通道，然后再將采集到的模擬電壓值傳送到上位機(jī)，并編程乘以相應(yīng)的倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出強(qiáng)度的復(fù)現(xiàn)。下位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

3 輸出脈沖波形
    將上位機(jī)操作界面通過(guò)USB模塊與下位機(jī)系統(tǒng)相連進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，通過(guò)操作上位機(jī)控制界面向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)控制指令實(shí)現(xiàn)數(shù)字升壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)和對(duì)稱(chēng)脈沖波形輸出。圖6給出了用TektronixTDS2014示波器兩路通道捕獲其中的模式二(100Hz方波，0．2ms脈寬)的輸出波形。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)是基于PC機(jī)的上位機(jī)控制界面與產(chǎn)生波形的下位機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)的數(shù)字升壓和實(shí)時(shí)可控的互對(duì)稱(chēng)脈沖輸出。脈沖輸出波形和電壓范圍的調(diào)節(jié)能滿(mǎn)足不同使用者的需求，使用數(shù)字電位器代替模擬電位器使系統(tǒng)的控制更加靈活方便，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路能保障輸出電壓的穩(wěn)定，同時(shí)保障了使用者的安全。USB通信使上位機(jī)和下位機(jī)之間的連接更加的方便快捷，利于系統(tǒng)的快速反應(yīng)和智能診療。本系統(tǒng)穩(wěn)定性好，安全性高，界面易于操作，應(yīng)用前景十分廣闊。